Bài giảng Trường điện từ - Lecture 12: Đường dây truyền sóng và ứng dụng cung cấp cho người học các kiến thức: Đường dây truyền sóng, phương trình đường dây, đường dây không tổn hao trong viễn thông. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Trang 1 Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT Electromagnetics Field
Đường dây truyền sóng và ứng dụng Lecture 12
Trường điện từ
Đường dây truyền sóng
Đường dây truyền sóng = 2 vật dẫn song song cách điện
Đường dây truyền sóng truyền dẫn kiểu sóng TEM
Sóng được kích hoạt trên đường dây nhờ đ.áp nguồn Đường dây truyền sóng là hệ thống truyền dẫn định hướng
Vẽ ký hiệu đường dây truyền sóng:
Trang 2 Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT Electromagnetics Field
Phương trình đường dây
Trường điện từ
L.O.4.1 – Dẫn ra phương trình đường dây mô tả quan hệ áp dòng và các thông số điện trở, điện dẫn, điện dung và điện cảm phân bố
Mô hình mạch cho đường truyền hai bảng KTH
Xét sóng TEM trên đường truyền 2 bảng không tổn hao
( = 0; ; )
z
H(z,t) E(z,t)
0
d
z y
-s
J (z,t)=H(z,t)az
i(z,t)=H(z,t)w u(z,t)=E(z,t)d
E(z,t)=u(z,t)/d H(z,t)=i(z,t)/w
Chuyển sóng điện từ thành sóng điện áp và sóng dòng điện:
Trang 3EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
0
w
C = d
: Điện cảm trên 1 đv chiều dài : Điện dung trên 1 đv chiều dài
Mô hình mạch cho đường truyền hai bảng KTH
Phương trình viết trên chiều dài z:
+ - u(z+z,t) u(z,t)
+ -
i(z+z,t) i(z,t)
Mô hình mạch cho đường truyền hai bảng KTH
Trang 4EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Mô hình mạch tương đương trên đoạn z:
Kết luận: điều này cũng
đúng cho mô hình đường dây truyền sóng khác
u(z+z,t)
+
- Chuyển từ mô hình không tổn hao sang mô hình có tổn hao:
Trang 5EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Mô hình mạch cho đường dây truyền sóng có tổn hao
Các thông số đơn vị của các đường truyền cơ bản:
S
R a
2πε
ln b/a w
+ - u(z+z,t) u(z,t) +
-i(z+z,t) i(z,t)
Trang 6EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Phương trình đường dây truyền sóng
ℓ 0
Đường dây không tổn hao trong viễn thông
EE 2003: Trường điện từ
L.O.4.3 – Giải đường dây tổn hao và không tổn hao trong miền tần số để tính trở kháng vào, hệ số phản xạ, biểu đồ sóng đứng, kỹ thuật hòa hợp, dòng, áp và công suất.
Trang 7EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Phương trình đường dây dạng phức
Trang 8EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Nghiệm phương trình đường dây theo hướng SL
-
2
Z M
U( ) U cos(βz) jZ I sin(βz)
U I( ) j sin(βz) I cos(βz)
Z
z z
Trang 9EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Nghiệm phương trình đường dây theo hướng LS
-
Trang 10EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Hệ số phản xạ áp trên đường dây
Định nghĩa:
jβd
j2βd 2
jβd 2
U U
Áp dụng điều kiện biên tại d=0 (tại tải):
Hệ số phản xạ áp trên đường dây
Biểu diễn hệ số phản xạ trong mặt phẳng phức:
2 d
2 ( ) d q 2 d
G G G G 2 ( d 0) G 2 q
Trang 11EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Hệ số phản xạ áp trên đường dây
Re
Im
Bk G2
q d=0
d=l d
d=l d
2
G
Trang 12EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Hệ số phản xạ áp trên đường dây
Re
Im
Bk G2
q d=0
d=l d
d=l d
2
G
Trang 13EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Hệ số phản xạ áp trên đường dây
Re
Im
Bk G2
q d=0
d=l d
d=l d
2
G
Trang 14EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Hệ số phản xạ áp trên đường dây
Re
Im
Bk G2
q d=0
d=l d
d=l d
2
G
Trang 15EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Hệ số phản xạ áp trên đường dây
Re
Im
Bk G2
q d=0
d=l d
d=l d
2
G
Trang 16EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Hệ số phản xạ áp trên đường dây
Re
Im
Bk G2
q d=0
d=l d
d=l d
2
G
Trang 17EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Hệ số phản xạ áp trên đường dây
Re
Im
Bk G2
q d=0
d=l d
Trang 18EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Trở kháng vào trên đường dây
-
U cos(βd) jZ I sin(βd) (d)
U
j sin(βd) I cos(βd) Z
0 2
Z +jZ tg(βd) Z(d)=Z
Z +jZ tg(βd)
Trang 19EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Trở kháng vào trên đường dây
Trở kháng nhìn vào đầu đường dây Z in
E g
+ +
-
-o
- z Z
Trở kháng vào trên đường dây
Khi đó ta thay thế toàn bộ đường dây & tải bằng Z in để tính điện áp và dòng điện đầu đường dây
g
Z
in
Z +
-inZ
Trang 20EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Trở kháng vào trên đường dây
Ví dụ 1: Tính trở kháng nhìn vào đầu đường dây Z in biết chiều dài đường dây l=4/3, Z 2 =50+j60, Z 0 =75.
Ví dụ 2: Xác định chiều dài đường dây (tính theo bước
sóng) để trở kháng nhìn vào đầu đường dây Z in thuần trở và xác định giá trị Z in này.
Ví dụ về xác định áp dòng trên đường dây
Xác định điện áp và dòng điện phức tại đầu, cuối và chính giữa đường dây biết l=4/3, Z 2 =50+j60, Z 0 =75, Zg=75, Eg=500 (V)
-
Trang 21EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Công suất trung bình trên đường dây
*
1 P= Re{UI } 2
(Công suất cấp cho tải bằng CS cấp vào đầu đường dây)
Sóng đứng (dừng) trên đường dây
Sóng đứng (standing wave) được tạo ra do sự giao thoa của sóng tới và sóng phản xạ
Mô hình sóng đứng Xác định quy luật phân bố biên độ của sóng trên đường dây
e e
|U| | U ||1 G |
Trang 22EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Sóng đứng (dừng) trên đường dây
Trang 23EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Sóng đứng (dừng) trên đường dây
Trang 24EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Sóng đứng (dừng) trên đường dây
Trang 25EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Sóng đứng (dừng) trên đường dây
Trang 26EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Sóng đứng (dừng) trên đường dây
Trang 27EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Sóng đứng (dừng) trên đường dây
Trang 28EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Sóng đứng (dừng) trên đường dây
G
Trang 29EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Sóng đứng (dừng) trên đường dây
U G
+
2min | I | (12 )
U G
+
2max | I | (12 )
Trang 30EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Sóng đứng (dừng) trên đường dây
Ví dụ: Z2 (15 j 20) ; Z0 50
0 0.74
2 02
Trang 31EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Sóng đứng (dừng) trên đường dây
VSWR meter
d min Ref Load
Trang 32EE 2015 : Signals & SystemsElectromagnetics Field Tran Quang Viet – FEEE - HCMUT Tran Quang Viet – FEEE – HCMUT
Hòa hợp trở kháng
Khi Z 0 Z L , cần tới mạch hòa hợp trở kháng để tránh phản xạ
từ tải về nguồn Đường dây hòa hợp khi Z in = Z 0
Các phương pháp tính hòa hợp trở kháng đường
dây ???